186189. lajstromszámú szabadalom • Elrendezés műveleti erősítők automatikus frekvenciakompenzálására
I 186 I 89 2 Az analóg és digitális méréstechnika minden területén kiterjedten alkalmazzák a műveleti erősítőket. A digitális méréstechnikában a kvantálás előtt általában szükség van a jelnagyság megfelelő szintre történő erősítésére és/vagy mintavevő tartó áramkörre, periodikus vagy sztochasztikus impulzusok vizsgálatakor csúcsdetektorra, a digitális multiméterek jelentős részénél pedig integrátorra stb. A számítógépek és különösen a mikroprocesszorok egyre szélesebb körű elterjedésével együtt egyre általánosabbá válik a mérési adatok digitalizálása, másrészt a technológiai vagy mérési folyamatok automatizálása. Ilyen és más alkalmazásokban is gyakran szükség van a felhasznált műveleti erősítők erősítési tényezőjének üzemszerű változtatására. Ha széles frekvenciasávot igénylő mérésről van szó (pl. impulzustechnika) gondot okoz az erősítő frekvenciamenetének megfelelő kompenzálása.1 Az erősítési tényező változtatásával együtt a kompenzáló hálózat elemeit (elemét) is változtatni- tekintette! arra, hogy azok általában nagy impedanciájú pontokhoz csatlakoznak - csak a sávszélesség jelentős csökkenése árán volna lehetséges. (A különböző erősítésekhez tartozó kompenzáló elem készlet, valamint a mechanikus vagy elektronikus kapcsoló kiterjedt volta - a szórt kapacitások növekedése, valamint a fokozott nagyfrekvenciás zavarérzékenység miatt további sávszélesség csökkenéssel járna.) Az általános alkalmazott eljárás az, hogy a legkisebb erősítésnek megfelelő kompenzáló hálózattal építik meg az áramkört, és csak az erősítési tényezőt változtatják. Az 1. ábrán ilyen megoldású erősítőfokozat Bode-diagramját látjuk. (Az ábrán A„ a visszacsatolatlan erősítő erősítése, f, a domináns pólusnak megfelelő törésponti frekvencia, f„ a második töréspont frekvenciája és f) az Avl visszacsatolt erősítéshez beállított frekvencia.) Ilyenkor- mint az ábrán is látható - az erősítés növelésével a sávszélesség arányosan csökken, és a fázistartaiék- melyet a visszacsatolt erősítő törésponti frekvenciájának és a második törésponti frekvenciának az aránya határoz meg - feleslegesen nagy lesz. (Az Avl, Av2 és Av3 erősítéseknek rendre az fYl, fv2 és fv3 határfrekvenciák felelnek meg.) Sok alkalmazásnál nem engedhető meg a határfrekvencia ilyen nagymérvű csökkenése. ' Herpy Miklós: Analóg integrált áramkörök, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1974. 143-158. o. A találmány szerinti elrendezés az ismertetett probléma egyszerű megoldását adja. Alkalmas műveleti erősítő választása esetén a találmány szerinti kompenzáló eljárást alkalmazva az erősítési tényező változtatása esetén az erősítő frekvenciamenete és fázistartaléka automatikusan biztosítja a maximális sávszélességet. Az elrendezés működését (példaképpen egy invertáló erősítő esetében) a 2. ábra alapján magyarázzuk. Kereskedelmi forgalomban hozzáférhető (3554, 3551 Burr-Brown, AD 504 Analog Devices) vagy készíthető olyan szélessávú műveleti erősítő, melynek frekvenciamenetét egyetlen - a kimenet és egy a frekvencia kompenzálás célját szolgáló K kivezetés közé kapcsolt - kapacitás nagyságának a kívánt visszacsatolt erősítésnek megfelelő megválasztásával módosíthatjuk. Az 1. ábra a kompenzálóhálózattal ellátott erősítő Bode diagramját mutatja. A 2. ábra a javasolt elrendezést ábrázolja. A 3. ábra a javasolt erősítő Bode diagramját szemlélteti. . A 2. ábra mutatja a kompenzálás találmány szerinti megvalósítását: az erősítési tényezőt a kimenetre csatlakozó osztó a osztás arányának megfelelően változtatjuk. Az osztásarányt a Z, és Z2 impedanciák, valamint az R2 visszacsatoló ellenállás nagysága határozzák meg. Az erősítési tényező célszerűen a Z2 impedancia változtatásával szabályozható. A frekvencia kompenzálásra szolgáló Ck kompenzáló kapacitás nem a K kivezetésre, hanem - egy nagy bemeneti ellenállású F szélessávú követő (pl. térvezérlésű tranzisztor) közbeiktatásával - a P osztásponthoz csatlakozik. Az ábrán a műveleti erősítő két fokozatra bontva látható. Kompenzálás nélkül - feltételezve, hogy A2 erősítőfokozat bemeneti ellenállása nagy - az A, erősítőfokozat R kimenőellenáliása és a Cb belső kapacitás határozza meg a domináns pólus törésponti frekvenciáját. (Az 1. és a 3. ábrákon az f, törésponti frekvencia.) Vizsgáljuk meg, hogyan függ a 2. ábrának megfelelő kompenzálás esetén az osztásaránytól (azaz az erősítéstől) a törésponti frekvencia. A tárgyalás egyszerűsítése érdekében itt Cb belső kapacitás hatását elhanyagoljuk. (Ha teljesül a Cb<^ *:Ck feltétel, az elhanyagolás jogos.) Kimutatható, hogy ebben az esetben a törésponti frekvencia ~~ 2ji R C,(A,+ a) Ha teljesül még az a«A2 feltétel is: Mivel az.erősítést az: összefüggés adja, a domináns pólus frekvenciája az osztási aránynak - azaz.az erősítésnek - lineáris függvénye. A 3. ábra mutatja a találmány szerinti elrendezésnek megfelelő Bode-diagramot. A különböző visszacsatolt Avl, Av2, Avj erősítéseknek megfelelő automatikusan beálló törésponti frekvenciák rendre f,, f2 és f3, a visszacsatolt erősítő határfrekvenciája pedig fk, = fk2 = fk3 = fk az erősítéstől független. A gyakorlatban nagy erősítéseknél, ahol egyrészt Cb belső kapacitás hatása már nem hanyagolható el, másrészt nem teljesül az a ^A, feltétel, a töréspont! frekvencia erösítésfüggését bonyolultabb öszszefüggés írja le. (A megfelelő törésponti frekven-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
